基于GT－POWER的雙燃料發動機性能仿真研究

張德福，黃春焱，趙景亮，陳 濤

(1.天津理工大學海運學院，天津 300384;2.天津天元海科技開發有限公司，天津 301800;3.天津大學機械學院，天津 300372)

1 概述

隨著全球船舶保有量的增加，船舶有害物排放及石油消耗隨之增加，各國船機和航運企業面臨著重要挑戰。探索應用可再生清潔能源成為應對這一局面的重要技術手段。其中摻燒生物柴油，實現部分替代石化燃料，改善排放，已成為船舶發動機技術發展的研究方向［1－3］。本文以6135船用柴油機作為試驗樣機，運用一維動力學軟件GT－POWER建立發動機數學模型，開展柴油－生物柴油混合燃料發動機性能研究，分析了不同替代率下混合燃料對發動機的動力、經濟、燃燒和排放特性的影響，并對擬采用的技術方案進行性能預測，為生物柴油混合燃料發動機性能完善提供了技術方向。

2 試驗樣機

試驗樣機為直列6缸4沖程船用柴油機，機型6135D－3，主要參數詳見表1。

表1 6135D－3主要參數

3 柴油機模型建立

3.1 基于GT－POWER模型搭建

GT－POWER通過模塊結構的方式，采用一維流體動力學方程進行數學描述來建立內燃機工作過程的計算模型［4］。本文以EngCylCombDIJet燃燒模型、WoschniGT傳熱模型為基礎，建立6135柴油機整機仿真模型，如圖1所示。

圖1 6135柴油機仿真模型示意圖

3.2 生物柴油燃料庫

不同廠家及產地的生物柴油成分略有不同，但主要成分均為飽和、不飽和脂肪酸甲脂。根據試驗所用生物柴油的理化特性，運用定壓比熱容的計算公式和GT－POWER手冊中的計算公式，推算出生物柴油液體和氣體的焓值、導熱系數和黏度，建立如表2所示的生物柴油燃料庫［5－6］。

表2 生物柴油燃料庫

續表2 生物柴油燃料庫

4 仿真結果分析

4.1 模型驗證

為了檢驗所建立模型的正確性，利用試驗樣機臺架實測的汽缸壓力、轉矩和功率等數據對所建立的模型進行驗證。圖2是1 200 r/min，50%負荷下缸內壓力的仿真與實測數據的對比結果。

圖2 缸內壓力標定結果

由圖2可見，所建立的 GT－POWER數學模型與實測汽缸壓力變化曲線基本吻合，具有較好的一致性。

4.2 燃燒特性分析比較

圖3顯示了額定工況下不同比例的柴油與生物柴油混合燃料對柴油機燃燒過程的影響。

從圖3中可以看出，隨著摻燒生物柴油的比例增大，缸內壓力和瞬時放熱率都出現了不同程度的降低，且最高爆壓和放熱峰值對應的相位角出現滯后。相比于B0，B100的著火時刻推遲了0.6°CA，最高燃燒速率對應相位推遲0.8°CA，且燃燒放熱峰值降低了2.5%，由此導致發動機的熱效率下降，缸壓和轉矩出現下降。分析認為，生物柴油熱值低，黏度大，蒸發霧化差，隨著生物柴油數量的增加，受生物柴油蒸發混合速度下降的影響，發動機滯燃期延長，滯燃量減少，導致發動機最高爆發壓力相比純柴油降低，如圖3(a)。同時，受到燃料混合及燃燒速度下降的影響，發動機放熱率出現下降，如圖3(b)。鑒于此，相關學者以甲醇、乙醇、二甲基醚等作為生物柴油改性劑，探索并實現了生物柴油在燃燒質量和動力輸出方面的提升［7－8］，為本課題后續研究提供了技術方向。

圖3 生物柴油替代率對工作過程的影響

4.3 排放特性分析比較

碳煙作為柴油機主要排放物之一，主要在高溫，局部缺氧的條件下生成。圖4是不同工況、不同轉速下生物柴油替代率對碳煙生成的影響。

從圖4(a)中可以看出，在中高負荷區域，碳煙排放最低。圖4(b)為50%負荷時，替代率對碳煙生成的影響。如圖可見，隨著摻燒生物柴油比例增加，碳煙排放得到大幅度改善，且替代率越高，碳煙生成數量越少。分析認為，首先，生物柴油本身較高的含氧量使局部缺氧區得到有效的氧化;其次，與純柴油相比，生物柴油的碳氫比例低，不含有芳烴，從而使碳煙的生成量大幅降低。

5 結束語

對6135柴油機進行整機仿真分析，結果表明，隨著替代率的增加，發動機的動力性和經濟性均有所降低。中高負荷工況下，燃燒生物柴油與柴油的混合燃料的經濟性最好。相同轉速下隨著替代率增加，碳煙排放出現下降。燃燒B10和B20混合燃料的動力性、經濟性、燃燒特性和排放特性的表現與純柴油相當。在額定工況下燃燒B80能夠有效改善燃燒特性。

圖4 生物柴油替代率對碳煙生成的影響

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